扩散与固态相变ppt课件.ppt

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1、第六章扩散与固态相变物质的传输方式气体：扩散+对流固体：扩散液体：扩散+对流金属陶瓷高分子键属金离子键共价键扩散机制不同本章内容扩散的表象理论(1)扩散的热力学(2)扩散的原子机制(3)影响扩散的因素(4)扩散的应用(5)固态相变简介(6)§6.1表象理论(Phenomenologicallaws)扩散(diffusion):在一个相内因分子或原子的热激活运动导致成分混合或均匀化的分子动力学过程完全混合部分混合时间加入染料水高碳含量区域低碳含量区域碳的扩散方向Fe-C合金6.1.1菲克第一定律

2、(Fick’sfirstlaw)J=-Ddcdx稳态扩散J:扩散通量(massflux),goratom/(cm2s)D:扩散系数(diffusivity),cm2/sc:浓度:浓度梯度c1c2dxJ(c1>c2)平视方向俯视方向应用：测定碳在-Fe中的扩散系数2r2l2r12r12r2l>>r1000C[C]稳态时:单位时间内通过半径为r(r2

3、碳浓度的函数=常数=-D=-D由菲克第一定律得：6.1.2菲克第二定律(Fick’ssecondlaw)推导过程：菲克第一定律+质量守恒xx1x2dxJ1J2J1J2通量质量浓度c扩散通量为J1的物质经过体积元后的变化通量和距离的瞬时关系浓度和距离的瞬时变化A非稳态扩散d/dt0在体积元(Adx)内J1AJ2A=J1A+体积元内扩散物质质量的积存速率：积存速率=流入速率-流出速率菲克第二定律若D与浓度无关，则：对三维各向同性的情况：菲克定律描述了固体中存在浓度梯度时发生的扩散，称为化学扩散当扩散不依赖

4、于浓度梯度，仅由热振动而引起时，则称为自扩散定义：自扩散系数Ds=lim()无限大物体的模型(两个不同成分材料焊接一起)21s=(1+2)/26.1.3A扩散方程的解I----无限大物体半无限大物体的模型(恒浓度气氛中掺杂)s0t1t2t36.1.3B扩散方程的解II----半无限大物体6.1.3C扩散方程的解III----衰减薄膜源(双侧面)6.1.3D扩散方程的解IV----衰减薄膜源(单侧面)衰减薄膜源的浓度分布与时间的关系§6.2扩散的热力学分析1.化学势:2.驱动力:3.扩散原子的

5、平均速度:vi=BiFi(Bi----迁移率,即单位驱动力下的速度)4.扩散通量:扩散系数:将上述关于J的式子化为菲克第一定律的形式:又:6.讨论:理想溶液或稀固溶体i=1或为常数不同组元之Ｄ仅与Ｂi有关(P293)(ii)一般固溶体：为热力学因子，不随组元而变(iii)上坡扩散与下坡扩散出现上坡扩散的场合：过饱和固溶体的脱溶分解(析出)；弹性应力的作用；晶界的内吸附；电场或温度场的作用6.3扩散的原子理论6.3.1扩散机制扩散机制:交换机制间隙机制空位机制晶界扩散与表面扩散晶内扩散、晶界扩散与表面扩散

6、的比较6.3.2原子跳跃和扩散系数1．原子跳跃以间隙固溶体为例，溶质原子的扩散一般是从一个间隙位置跳跃到其近邻的另一个间隙位置。2．原子成功跳跃分数3．扩散系数与原子跳跃频率设原子跳跃频率为考虑单位面积1晶面和2晶面,两晶面间距为d,间隙原子数为n1和n2,从1面到2面相应位置的几率为p,则在t时间内:若N1-2>N2-1则2面上得到的间隙原子数为：化为质量分数:将上式化为含有dc/dx因子的式子比较两式有：4.扩散系数设:间隙原子振动频率为,间隙配位数为z,具有足够能量条件跳跃的原子分数为则成功跳

7、跃到2面的跳动频率为：同理可得空位扩散时：5置换固溶体中的扩散[1].Kirkendall效应Kirkendall效应的定义定义:由于不等量扩散导致Mo丝(标记)移动的现象称为柯肯达尔效应(黄铜一侧留下空位)现象:钼丝间距减小,原界面向黄铜一侧移动原因:(1)Zn原子半径大于Cu原子半径(2)Zn的扩散速率大于Cu的扩散速率[2]互扩散系数6.4扩散激活能当晶体中的原子以不同方式扩散，所需的扩散激活能Q值是不同的。在间隙扩散机制中，Q=ΔU(迁移能)；在空位扩散机制中，Q=ΔU+ΔUV(空位形成能)。除此

8、外，还有晶界扩散、表面扩散、位错扩散，它们的扩散激活能是各不相同的，因此，求出某种条件的扩散激活能，对于了解扩散的机制是非常重要的。6.5无规则行走与扩散距离如果扩散原子是直线运动，那么原子行走的距离应与时间成正比，但前述的计算表明，其与时间的平方根成正比，由此推断扩散原子的行走很可能像花粉在水面上的布朗运动那样，原子可向各个方向随机地跳跃，是一种无规则行走（randomwalk）。因为原子的跃迁是随机的，每次跃迁的方向与前次